車聯(lián)網(wǎng)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

王小臣， 蔣樹國， 王建海

(中國汽車技術(shù)研究中心 北京工作部， 北京 100070)

隨著我國智能網(wǎng)聯(lián)汽車(intelligent and connected vehicle,ICV)發(fā)展規(guī)劃的提出，車聯(lián)網(wǎng)(V2X)技術(shù)得到國家的大力支持，各車企也大規(guī)模地開展車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和推廣[1-4]。但由于對(duì)車聯(lián)網(wǎng)概念的理解不夠深入，業(yè)務(wù)大部分集中在監(jiān)控類的初級(jí)階段。要實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展目標(biāo)，需要綜合分析未來實(shí)際道路交通需求，立足產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，利用車聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從滿足未來業(yè)務(wù)要求、系統(tǒng)可升級(jí)的角度，重新考慮汽車整體規(guī)劃，避免走彎路。這樣就要求企業(yè)綜合考慮法律法規(guī)、智能交通發(fā)展、汽車整體架構(gòu)等各種因素，制定合適的戰(zhàn)略規(guī)劃。

1 車聯(lián)網(wǎng)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的重要性

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是自動(dòng)駕駛技術(shù)和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互促進(jìn)，共同解決交通出行的融合解決方案，是目前世界上認(rèn)為最有可能成為新技術(shù)應(yīng)用的市場。

1.1 車聯(lián)網(wǎng)概念

車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是通過人、車、路信息交互，實(shí)現(xiàn)車輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間、車輛與車輛、車輛與人之間的智能協(xié)同與配合的一種智能交通體系[5]。車載通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能交通子系統(tǒng)之間的信息交互,通過綜合各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)信息(車、路、行人及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù))，統(tǒng)一分析車輛行駛過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)，并及時(shí)避免事故的發(fā)生[6]。

車聯(lián)網(wǎng)中最為基本的車載單元(onboard unit,OBU)尤其重要，它不僅僅是車輛和其他信息節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系樞紐，還有隨時(shí)向網(wǎng)絡(luò)匯報(bào)自己狀態(tài)和數(shù)據(jù)的任務(wù)。車載單元包括以下幾個(gè)子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 車載單元系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1) 無線通信單元：接收和發(fā)送空中信號(hào)。一個(gè)車載設(shè)備里可以裝配一個(gè)或者多個(gè)無線通信子系統(tǒng)。

2) 定位系統(tǒng):通常包含全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收器，用以提供車輛的位置、方向、速度和時(shí)間等信息?？梢酝ㄟ^車速信號(hào)、慣性測量單元、差分定位系統(tǒng)等方式來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)定位技術(shù)。

3) 車載處理單元：運(yùn)行程序以生成需要發(fā)送的空中信號(hào)，以及處理接收的空中信號(hào)。

4) 天線：實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的接收和發(fā)送。

車載設(shè)備單元通過接口與應(yīng)用控制單元相連，應(yīng)用控制單元中的運(yùn)行程序，經(jīng)過相關(guān)計(jì)算獲得車輛周圍環(huán)境的實(shí)際狀態(tài)，并通過人機(jī)交互界面(DVI)來實(shí)現(xiàn)對(duì)駕乘人員的提醒，包括圖像、聲音、振動(dòng)等方式。同時(shí)應(yīng)用控制單元也需要把和安全相關(guān)的環(huán)境參數(shù)傳遞給車輛的決策系統(tǒng)，以便智能網(wǎng)聯(lián)汽車根據(jù)環(huán)境參數(shù)判定該車下一步的操作，并把該車輛相關(guān)參數(shù)再次通過車載設(shè)備單元向網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播，網(wǎng)絡(luò)中的其他車輛也可以接收到該車輛的運(yùn)行軌跡和一些影響其他車輛的有關(guān)變量。

1.2 自動(dòng)駕駛汽車存在的問題

即使自動(dòng)駕駛汽車的環(huán)境感知技術(shù)不斷完善，目前自動(dòng)駕駛車輛仍存在如下4個(gè)方面的問題：

1) 環(huán)境傳感器使用環(huán)境有局限性。如激光雷達(dá)遇到濃霧、雨、雪天氣，將導(dǎo)致傳感器無法工作。因此，僅靠傳感器難以獲得各種環(huán)境下車輛自動(dòng)駕駛所需要的環(huán)境變量。

2) 環(huán)境傳感器準(zhǔn)確度有待提高。如在北京參與自動(dòng)駕駛測試的汽車，經(jīng)常會(huì)把樹葉、沙袋等誤判成障礙物而采取緊急制動(dòng)或避險(xiǎn)等措施。

3) 環(huán)境傳感器獲得環(huán)境參數(shù)的范圍有局限性。在城市復(fù)雜交通環(huán)境下，自動(dòng)駕駛汽車用雷達(dá)、視覺、Lidar等各種傳感器只能夠?qū)π旭偔h(huán)境中可視的物體進(jìn)行識(shí)別并感知，這種環(huán)境感知存在盲區(qū)。據(jù)Junqing Wei 等[7]、R. H. Rasshofer等[8]對(duì)自動(dòng)駕駛汽車的行駛環(huán)境感知研究得知:自動(dòng)駕駛的車輛感知系統(tǒng)不僅僅包含可視、超視距、近距離、遠(yuǎn)距離的道路環(huán)境信息，還要囊括周圍移動(dòng)車輛、行人、障礙物以及車輛自身位置和各種狀態(tài)信息[9]。

4) 突發(fā)事件無法進(jìn)行預(yù)測。在實(shí)際交通中，存在不可預(yù)見性的事件(如突然并線)和視線盲區(qū)(如十字路口及道路拐角)等，這些突發(fā)事件是自動(dòng)駕駛事故發(fā)生的主要原因。目前的智能決策系統(tǒng)由于無法預(yù)測參與交通的其他主體的運(yùn)動(dòng)軌跡而導(dǎo)致事故發(fā)生。

1.3 車聯(lián)網(wǎng)的重要性

造成上述現(xiàn)象的主要原因是目前的自動(dòng)駕駛汽車只是單方向感知車輛周圍的信息，并不能夠與參與交通系統(tǒng)的各個(gè)單元進(jìn)行多方向、多層次的溝通，而車聯(lián)網(wǎng)就是很好的解決方案。

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在無線蜂窩廣域通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，配合車載終端、路側(cè)單元及智能交通設(shè)施，組成一個(gè)廣域互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，車聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了車車、車路、車人及車與互聯(lián)網(wǎng)之間的信息傳輸，進(jìn)而提供車輛和云端數(shù)據(jù)的交互操作，為提升車輛超視距及交通參與者變化趨勢(shì)的感知能力提供了新的科學(xué)技術(shù)手段。

車聯(lián)網(wǎng)是車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)合一的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)使信息在車、路、人、交通設(shè)施與互聯(lián)網(wǎng)之間進(jìn)行交換，以云計(jì)算及大數(shù)據(jù)的分析為基礎(chǔ)，來實(shí)現(xiàn)智能化的交通管理控制、車輛控制和信息服務(wù)的一體化網(wǎng)絡(luò)。車聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境感知是通過無線通信方式實(shí)現(xiàn)信息交互，采用此方式不僅可獲取傳統(tǒng)傳感器難以獲取的宏觀交通環(huán)境信息，還可實(shí)現(xiàn)車輛、路側(cè)單元及交通設(shè)施等信息共享。車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用從信息服務(wù)逐漸轉(zhuǎn)變到提供智能網(wǎng)聯(lián)汽車的環(huán)境感知手段，成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動(dòng)駕駛必不可少的輔助手段。

2 車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要考慮的關(guān)鍵問題

2.1 汽車總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)汽車CAN總線傳輸速率為500 kbps，最大傳輸速率1 Mbps。由于智能網(wǎng)聯(lián)汽車大量的數(shù)據(jù)采集及分析處理，所以需要采用更高帶寬的車載網(wǎng)絡(luò)來適應(yīng)大數(shù)據(jù)傳輸。引進(jìn)并改進(jìn)成熟民用以太網(wǎng)承擔(dān)汽車大數(shù)據(jù)傳輸，成為必然趨勢(shì)。車載以太網(wǎng)不僅成本低，而且技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)成熟，因此得到越來越多汽車企業(yè)的重視和采用。

圖2所示為未來智能網(wǎng)聯(lián)汽車以以太網(wǎng)為主網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。各個(gè)功能模塊作為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)，按照各自的功能完成數(shù)據(jù)的采集分析，形成特定的數(shù)據(jù)交換和通信方式，通過以太網(wǎng)總線來完成數(shù)據(jù)的傳輸。而傳統(tǒng)動(dòng)力底盤系統(tǒng)CAN(P-CAN)及車身舒適系統(tǒng)CAN(B-CAN)子網(wǎng)絡(luò)要求可靠性高、時(shí)延小、數(shù)據(jù)量小，所以繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的CAN總線。這樣既滿足了環(huán)境感知系統(tǒng)和決策系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)量傳輸要求，也可以保障傳統(tǒng)汽車執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性[10]。

圖2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

但由于以太網(wǎng)傳輸沒有QOS保障，所以目前車載以太網(wǎng)還面臨著電磁兼容及可靠性等方面的挑戰(zhàn)，這是各車企在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中必須要考慮的問題。

2.2 信息安全的挑戰(zhàn)

以汽車為節(jié)點(diǎn)的車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使汽車之間以及汽車與外界的信息交互將更加頻繁和復(fù)雜，并且各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信息交互是通過空中的無線通信完成，在這種信息交互的過程中，外部攻擊、被植入惡意木馬病毒及個(gè)人隱私被盜竊等風(fēng)險(xiǎn)面臨非常大的挑戰(zhàn)。因此，為了加強(qiáng)車聯(lián)網(wǎng)信息及控制系統(tǒng)工作的安全性，對(duì)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息安全的研究是必要的。

如K.Koscher等[11]通過一段簡單的代碼成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)車載電控系統(tǒng)的破壞性攻擊，完成了諸如關(guān)閉汽車剎車系統(tǒng)、篡改車速表讀數(shù)、打開空調(diào)、播放收音機(jī)中的音樂或把乘客鎖在汽車?yán)锏绕茐男袨椤?/p>

目前全世界針對(duì)個(gè)人信息隱私的保護(hù)要求越來越高。隨著車聯(lián)網(wǎng)功能的不斷強(qiáng)大，要實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的愿景，就要求各個(gè)車聯(lián)網(wǎng)汽車不斷地公開各自的信息。為了在保護(hù)個(gè)人隱私和車聯(lián)網(wǎng)的便利性兩方面取得平衡，需要在法律不斷完善的基礎(chǔ)上，提供安全可靠的信息安全保護(hù)機(jī)制，建立完備的信息加密手段，來防止空口、傳輸?shù)雀鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)的信息泄露。這是一個(gè)龐大的法律及加密標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)過程。

2.3 車聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)之爭

車聯(lián)網(wǎng)分為DSRC和C-V2X兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)陣營。

DSRC專用短程無線通信標(biāo)準(zhǔn)，以IEEE802.11p為基礎(chǔ)，經(jīng)過十多年的發(fā)展，形成以NXP/ST/瑞薩/車企等為核心的成熟產(chǎn)業(yè)鏈，車載產(chǎn)品豐富，具備不需要基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)來提供車車通信的技術(shù)手段。目前已具備統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，各種產(chǎn)品之間的互換性、兼容性強(qiáng)；同時(shí)具有產(chǎn)品多樣化、專業(yè)化的特點(diǎn)。目前該標(biāo)準(zhǔn)在美國、歐盟及日本等發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用階段。但是該標(biāo)準(zhǔn)不能及時(shí)接入互聯(lián)網(wǎng)，不能和公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)形成良好的交互操作[12]。

C-V2X標(biāo)準(zhǔn)是利用LTE-V的基礎(chǔ)，在4G(5G)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上提供完整的V2X業(yè)務(wù)。該標(biāo)準(zhǔn)較好地解決了DSRC不能隨時(shí)和Internet鏈接的問題。隨著通信技術(shù)的不斷完善，該標(biāo)準(zhǔn)將更適用于車聯(lián)網(wǎng)中的各種應(yīng)用場景。也是由于該技術(shù)依賴于無線通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，而導(dǎo)致目前車載終端種類缺乏正式商用的產(chǎn)品，國內(nèi)只有大唐和華為能夠提供基于LTE-V的通信模塊，但還沒有成熟的車載單元供客戶選擇。目前國際3GPP組織已經(jīng)將C-V2X標(biāo)準(zhǔn)正式采納為國際公用通信標(biāo)準(zhǔn)，全球多個(gè)國家及運(yùn)營商也正式采納該標(biāo)準(zhǔn)，國際主流移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商也有相關(guān)的設(shè)備可以部署網(wǎng)絡(luò)，只是在商用終端的芯片上還沒有成熟的產(chǎn)品[4]。

2.4 智能決策系統(tǒng)深度融合的挑戰(zhàn)

智能決策是智能網(wǎng)聯(lián)汽車的核心部分，其功能是對(duì)采集的信息進(jìn)行進(jìn)一步處理，對(duì)所獲取的信息進(jìn)行分析比較，形成正確的決策，并傳遞給控制執(zhí)行部分，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車邏輯架構(gòu)如圖3所示，可以看到車輛周圍的環(huán)境參數(shù)可通過上層的環(huán)境感知層(雷達(dá)、攝像頭等傳感器)獲得；也可通過V2V，V2I和V2P等車聯(lián)網(wǎng)的反饋獲得；還可通過互聯(lián)網(wǎng)、專業(yè)APP等反饋獲得。但是針對(duì)同一環(huán)境參數(shù)，這3類數(shù)據(jù)如有沖突，如何判定這3類數(shù)據(jù)的關(guān)系將會(huì)影響到智能網(wǎng)聯(lián)汽車的決策。針對(duì)這類數(shù)據(jù)量大、反應(yīng)迅速、不時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的現(xiàn)象，必須有一個(gè)很好的深度融合解決機(jī)制，否則就會(huì)發(fā)生交通事故。

圖3 智能網(wǎng)聯(lián)汽車邏輯架構(gòu)

因此，從系統(tǒng)架構(gòu)的層面來看，汽車智能駕駛是在整車層面上進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的前提是整車層面上的協(xié)同控制[13]。智能決策系統(tǒng)作為核心技術(shù)，具有協(xié)同控制及行駛優(yōu)化技術(shù)、多目標(biāo)優(yōu)化理論及方法、車輛自主運(yùn)動(dòng)決策與高精度橫縱向跟蹤控制技術(shù)、綜合分析車輛與環(huán)境信息的功能。

2.5 應(yīng)用不成熟的問題

目前存在問題的是5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)還不具備規(guī)模，車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用仍然不夠深入，主要是應(yīng)用在純電動(dòng)車輛的監(jiān)控上，只是簡單地讀取車輛OBD的數(shù)據(jù)傳遞到網(wǎng)絡(luò)上[14]。若要實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的V2X功能，則必須要和車輛的智能決策系統(tǒng)充分地交互工作，同時(shí)還要時(shí)刻掌握車輛的狀態(tài)和下一步的動(dòng)作，這樣才能在實(shí)際交通中避免事故。

另外汽車產(chǎn)業(yè)的壁壘很高，很難達(dá)成統(tǒng)一的智能決策判斷標(biāo)準(zhǔn)，這為車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用造成很大的障礙。V2V通信時(shí)雖然可以在車輛之間進(jìn)行溝通，但是沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；也沒有統(tǒng)一的處理時(shí)延控制；各車企的優(yōu)化算法也存在差別，這樣會(huì)存在一定的隱患。所以需要不斷完善車聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，打破車企之間長期存在的壁壘，才能夠加速智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展。

3 結(jié)束語

高速發(fā)展的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為智能網(wǎng)聯(lián)汽車提供了廣闊的應(yīng)用空間和技術(shù)保障。但是對(duì)于新科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)汽車企業(yè)需要面對(duì)海量數(shù)據(jù)交換、快速的數(shù)據(jù)傳輸、大量數(shù)據(jù)的甄別、智能算法的迭代以及信息安全的保障等多方面技術(shù)的挑戰(zhàn)。在智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展的前期，應(yīng)充分考慮到各項(xiàng)挑戰(zhàn)，為我國智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。